1、天 津 大 学 网 络 教 育 学 院专科毕业论文题目：智能电子密码锁设计 完成期限：2016 年 1 月 8 日 至 2016 年 4 月 20 日学习中心：嘉兴专业名称：电气自动化技术学生姓名：姚建林学生学号：132092433147指导教师：刘伯颖天津大学网络教育学院专科毕业论文1智能电子密码锁设计1 引言随着人们生活水平的提高和安全意识的加强，对安全的要求也就越来越高。锁自古以来就是把守护门的铁将军，人们对它要求甚高，既要安全可靠的防盗，又使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。随着电子技术的发展，各类电子产品应运而生，电子密码锁就是其中之一。据有关资料介绍，电子密码锁的研究从 20
2、 世纪 30 年代就开始了，在一些特殊场所早就有所应用。这种锁是通过键盘输入一组密码完成开锁过程。研究这种锁的初衷，就是为提高锁的安全性。电子锁的密钥量（密码量）极大，可以与机械锁配合使用，并且可以避免因钥匙被仿制而留下安全隐患。电子锁只需记住一组密码，无需携带金属钥匙，免除了人们携带金属钥匙的烦恼，因而被越来越多的人所欣赏。电子锁的种类繁多，例如数码锁，指纹锁，磁卡锁，IC 卡锁，生物锁等，但较实用的还是按键式电子密码锁。20 世纪 80 年代后，随着电子锁专用集成电路的出现，电子锁的体积缩小，可靠性提高，成本较高，是适合使用在安全性要求较高的场合，且需要有电源提供能量，使用还局限在一定范围
3、，难以普及，所以对它的研究一直没有明显进展。目前，在西方发达国家，密码锁技术相对先进，种类齐全，电子密码锁已被广泛应用于智能门禁系统中，通过多种更加安全、可靠的技术实现大门的管理。在我国密码锁整体水平尚处于国际上 70 年代左右，电子密码锁的成本还很高，市场上仍以按键电子锁为主，按键式和卡片钥匙式电子锁已引进国际先进水平，现国内有几个厂生产供应市场。但国内自行研制开发的电子锁，其市场结构尚未形成，应用还不广泛。国内的不少企业也引进了世界上先进的技术，发展前景非常可观。希望通过不断的努力，使电子密码锁在我国也能得到广泛应用。2 系统方案论证2.1 主控部分的选择方案一：采用数字电路控制用以 74
4、LS112 双 JK 触发器构成的数字逻辑电路作为密码锁的核心控制，将天津大学网络教育学院专科毕业论文2密码保存在 JK 触发器中，与输入密码通过比较器比较，判断结果是否相符合。采用数字电路设计的方案好处就是设计简单，但控制的准确性和灵活性差，故不采用。方案二：采用以单片机为核心的控制方案选用单片机作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。单片机具有资源丰富、速度快、编程容易等优点。利用单片机内部的随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）及其引脚资源，外接数码管显示（LED） ，键盘输入等实现数据的处理传输和显示功能，基本上能实现设计指标，因此综合考虑，本系统采用方案二。2.2 密码输入方式
5、的选择方案一：指纹输入识别指纹识别技术主要涉及四个功能：读取指纹图像、提取特征、保存数据和比对。通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像，然后要对原始图像进行初步的处理，使之更清晰再通过指纹辨识软件建立指纹的特征数据。软件从指纹上找到被称为“节点” （minutiae）的数据点，即指纹纹路的分叉、终止或打圈处的坐标位置，这些点同时具有七种以上的唯一性特征。通常手指上平均具有 70个节点，所以这种方法会产生大约 490 个数据。这些数据，通常称为模板。通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果，从而判断输入结果的正确与否。考虑到本方案软硬件太
6、过复杂，而且成本也高，故不采用。方案二：矩阵键盘输入识别由各按键组成的矩阵键盘每条行线和列线都对应一条 I/O 口线，键位设在行线和列线的交叉点，当一个键按下就会有某一条行线与某一条列线接触，只要确定接触的是哪两条线，即哪两个 I/O 口线，就可以确定哪一个键被触动。行线设计成上拉口线，初始时被置高电位，列线悬空，初始置低。通过不断读行线口线，或者中断方式触发键位扫描。当发现有键按下，将列线逐一置低，其他列线置高，读行线口线。当某条列线置低时，某条行线也被拉低，则确定这两条线的交点处的按钮被按下。每个按键都可通过程序赋予功能，从而完成密码识别。本方案简单易行，故采用。3 系统总体设计和主要芯片
7、介绍天津大学网络教育学院专科毕业论文33.1 系统总体设计本设计主要由单片机、矩阵键盘、数码管显示以及开锁报警等部分组成。其中矩 阵键盘用于输 入数字密码和 进行各种功能 的实现，由用户 通过连接单片 机的矩阵键盘 输入所设定的 密码，驱动芯片驱动数码管显示输入的数字，后经过单片机对用户输入的密码与自己保存的密码进行对比，从而判断密码是否正确，然后控制引脚的高低电平传到开锁电路或者报警电路控制开锁（黄灯亮）还是报警（红灯亮）。系统整体框图如图3-1所示。图 3-1 系统结构框图各模块具体功能如下：1键盘输入模块：分为密码输入的数字按键与几个功能按键，用于完成密码的输入功能。2复位电路：完成系统
8、的复位。3密码存储模块：用于完成掉电存储功能，使密码断电后仍能保存。4驱动电路：用于驱动数码管对键盘所输入的数字进行实时显示。5显示模块：用于完成对系统状态的显示及操作提示功能。6报警电路：应用发光二极管模拟报警，用于完成密码输入错误时候的指示。7开锁电路：应用发光二极管模拟开锁，完成开锁及开锁提示。3.2 主要芯片介绍3.2.1 主控芯片 AT89S52AT89S52 单片机是一个低功耗，高性能 CMOS8 位单片机，片内含8KBytesISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性
9、存储技术制造，兼容标准AT89S52晶振电路键盘输入模块复位电路密码存储模块驱动模块开锁报警模块显示模块天津大学网络教育学院专科毕业论文4MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和ISPFlash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52 具有以下标准功能：8k 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至
10、0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52 的管脚分布如图 3-2。图 3-2 AT89S52 芯片管脚其各引脚功能如下：（29 引脚）：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选PSEN通信号，当 AT89S52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。/VPP（31 引脚）：
11、外部访问允许，欲使 CPU 仅访问外部程序存储器EA天津大学网络教育学院专科毕业论文5（地址为 0000H-FFFFH） ，EA 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平（接 Vcc 端） ，CPU 则执行内部程序存储器的指令。FLASH 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp。XTAL1（19 引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2（18 引脚）：振荡器反相放大器的输出端。ALE/PROG（30 引脚）：当访问外部程序存
12、储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对 FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG） 。RST（9 脚）：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平，使得单片机复位。P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位
13、。P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P1.0 T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入） ，时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用）下载线P1.6 MISO（在系统编程用）下载线P1.7 SCK（在系统编程用）下载线P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4个 TTL 门电流，当 P2 口
14、被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，天津大学网络教育学院专科毕业论文6当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P3 口作为 AT89S52 的一些特殊功能管脚备选功能：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 （外部中断 0）0INTP3.3 （外部中断 1）1P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.
15、5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6 （外部数据存储器写选通）WRP3.7 （外部数据存储器读选通）DAT89S52 主要特性如表 1 所示。表 1 AT89S52 主要特性兼容 MCS-51 指令系统 8k 可反复擦写(1000 次）ISP Flash ROM32 个双向 I/O 口 4.5-5.5V 工作电压3 个 16 位可编程定时/计数器 时钟频率 0-33MHz全双工 UART 串行中断口线 256x8bit 内部 RAM2 个外部中断源 低功耗空闲和省电模式中断唤醒省电模式 3 级加密位看门狗（WDT）电路 软件设置空闲和省电功能灵活的 ISP 字节和分页编程 双数据寄存器指针
16、3.2.2 存储芯片 AT24C1024AT24C1024是美国Atmel公司的低功耗CMOS型EPROM，内含2568位存储空间，具有工作电压宽(2.55.5V)、擦写次数多(大于10000次)、写入速度快(小于10ms)、抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点。而且他是采用了IC总线式进行数据读写的串行器件，占用很少的资源和I/O线，并且支持在线编程，进行数据实时的存取十分方便。AT24C1024中带有的片内地址寄存器。每写入或天津大学网络教育学院专科毕业论文7读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的读写。所有字节均以单一操作方式读取。为降低总的写入时间，一次操
17、作可写入多达8个字节的数据。IC总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。它通过SDA(串行数据线)及SCL(串行时钟线)两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件。AT24C1024正是运用了IC规程，使用主/从机双向通信，主机(通常为单片机)和从机( AT24C1024)均可工作于接收器和发送器状态。主机产生串行时钟信号(通过SCL引脚)并发出控制字，控制总线的传送方向，并产生开始和停止的条件。无论是主机还是从机，接收到一个字节后必须发出一个确认信号ACK（确认应答） 。 AT24C1024的控制字由8位二进制数构成，在开始信号发出以后，主机便会发出控制字，以选择从机并
18、控制总线传送的方向。具体管脚描述如下：SCL为串行时钟(Serial Clock Input)：串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接收的时钟这是一个输入管脚。串行时钟上升沿时，数据输入芯片(写入)；串行时钟下降沿时，数据从芯片输出(读出)。SDA为串行数据/地址(Serial DAta)：双向串行数据/地址管脚用于器件所有数据的发送或接收SDL，该端为漏极开路驱动，可与任意数量的其他漏极开路或集电极开路器件“线或” 。A1为器件/页面地址输入端(DevicPage Addresses)：当使用24C1024时最大可级联8个器件，如果只有一个24C1024被总线寻址，地址输入脚A1可悬空
19、或连接到Vss。WP为写保护：如果WP管脚连接到Vcc所有的内容都被写保护只能读当WP，管脚连接到Vss或悬空，允许器件进行正常的读/写操作。管脚图如图3-3所示。图3-3 AT24C1024芯片管脚3.2.3 驱动芯片74LS13874LS138用于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的数据传输系统，在天津大学网络教育学院专科毕业论文8高性能存贮器系统中，用这种译码器可以提高译码系统的效率。将快速赋能电路用于高速存贮器时，译码器的延迟时间和存贮器的赋能时间通常小于存贮器的典型存取时间，这就是说由肖特基钳位的系统译码器所引起的有效系统延迟可以忽略不计。74LS138 基本功能：74LS138
20、为 3 线8 线译码器，共有 54/74S138 和54/74LS138 两种线路结构型式，其工作原理如下：当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（/(E2)和/(E3)）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。74LS138 的作用：利用 E1、/(E2)和/(E3)可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138 还可作数据分配器以及与非门组成的 3 线-8 线译码器 74LS138 等。其引脚功能如下：A、B、C 译码地址输入端E1 选通端/(E2)和/(E3)选通
21、端（低电平有效）Y0Y7 译码输出端（低电平有效）其功能表如表 2 所示。表 2 3 线 -8 线 译 码 器 74LS138 的 功 能 表74LS138 的八个输出管脚，任何时刻要么全为高电平 1芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平 0，其余 7 个输出管脚全为高电平 1。如果出现两个输出管脚在同一个时间为 0 的情况，说明该芯片已经损坏。74LS138 有三个附加的控制端，当输出为高电平（S1） ，译码器处于工作状态。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平，如功能表所示。这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多篇连接起来以扩展译码器的功能。天津大学网络教育学院
22、专科毕业论文9带控制输入端的译码器又是一个完整的数据分配器。在电路中如果把作为“数据”输入端（同时） ，而将作为“地址”输入端，那么从送来的数据只能通过所指定的一根输出线送出去。图 3-4 是 74LS138 译码器芯片引脚图，图中小圆圈表示低电平有效。图3-4 74LS138芯片管脚4 系统硬件设计本系统外围电路包括键盘输入部分、密码存储部分、复位部分、晶振部分、显示部分、驱动部分，开锁以及报警等部分组成。根据实际情况键盘输入部分选择44矩阵键盘，显示部分选择字符型8位七段数码管显示，密码存储部分选用芯片AT24C1024，驱动部分选用74LS138芯片来完成，报警及开锁部分由LED灯模拟来
23、控制。4.1 键盘输入模块由于本设计所用到的按键数量较多而不适合用独立按键式键盘。采用的是矩阵式按键键盘，它由行和列组成，也称行列式键盘，按键位于行列的交叉点上，密码锁的密码由键盘输入完成，与独立式按键键盘相比，能减少键盘与单片机连接时所占用的 I/O 线的数目。本设计中使用的这个 44 键盘不但能完成密码的输入还能作特别功能键使用。其行线和单片机 P1.0P1.3 相连，列线与单片机 P1.4P1.7 相连，共有 16 个按键。本设计用到了其中的 12 个，如图 4-1 所示，包括 09 十个数字键，确认和清除两个控制键（作为密码输入时的确定和清除键） ，本设计中的键盘扫描采用行扫描法，即依次置行线中的每一行为低电平，其余均为高电平，扫描列线电平状态，为低电平即表示该键按下。
